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背锅侠: 可能是NASA的锅? 印度月船三号:测控是与NASA和ESA合作的

笔者在查阅这些资料时意外的发现了一个事实,ESA(欧洲空间局)的网站上居然挂着一个“欧空局地面站支持月船三号月球任务”的页面,介绍了ESA和NASA(美国宇航局)都参与了ISRO的探月任务!在NASA和ESA的支持下还干成这样,这ISRO似乎有点说不过去了啊!

NASA和ESA到底支持了什么

ESA在页面上介绍称,ISRO正在展开月船三号的月球探测任务,除了ISRO的深空通信天线外,ESA和NASA的全球测控网络都参与了技术支持:

ESA表示通信是深空任务的重要组成部分,如果没有地面深空通信站的支持,就不可能从航天器获取任何数据,地面无法了解它的运行状况,无法知道它是否安全,甚至无法知道它在哪里。

ISRO在印度有一个32米口径的深空测控天线,它可以定位、跟踪、指挥和接收来自其遥远航天器的遥测和科学数据。但它无法跟踪以及测控视场以外时间航天器,因为地球是一个球体,印度的天线只能管住120度范围,当航天器超出这个范围后就没有办法了。

建造一个深空测控站价格非常昂贵,因此ISRO寻求了伙伴支持,ESA通过其“Estrack”网络将全球测控资源整合以对ISRO支持,同时参加测控任务支持的还有NASA的DSN全球深空测控网络。

全球测控到底有多重要?

相信有很多朋友都认为发射卫星最重要的就是火箭能将卫星送入轨道,其他的似乎不是那么重要,但事实上这个理解却有些偏颇了,火箭飞行的每一个阶段需要监控与控制并确定其精确位置,如果飞行过程中出现异常情况,还要控制自毁。另外卫星在星箭分离后还要第一时间打开太阳能电池翼等,也需要确定卫星轨道是否准确、载荷功能是否正常、是否能保持通信等。

无线电不是能保证通信么?这个答案还真没毛病,但地球是一个巨大的球体,卫星在入轨前就会飞出发射场的视野,等到入轨后早就看不到了,从理论上来看,大部分卫星在一天内会经过发射场上空大约1.5次。

所以要随时和卫星保持通信的话,就得全球建立测控站,就是那种卫星地面站,不过这种站点有两种,一种只是信号落地,就是接收卫星的数据等,无法向卫星传送信号,和卫星电视锅效果是一样的,另一种就是双向通信的测控。

前苏联国土辽阔,所以就在从东到西的地面上建立了多个测控站,还在海外前苏联的盟国建设卫星地面测控站。美国更有优势,因为全球都有美国的盟国,地面测控也不需要到处建设地面站,只需要在地球的每隔120°左右建设一个测控站即可,如果要保证极轨(星下点经过南北极地区)测控,那么可能需要各建设南北两个测控站。

因此一般情况下有三个就能保证在任何时候都可以对小倾角卫星的大部分时间测控了,如果要保证更好的视野测控的话那么可以多建几个,比如美国的DSN网络最主要就是由三个地面站组成:

  • 1、Goldstone,California(加利福尼亚戈德斯通)
  • 2、Madrid,Spain(西班牙马德里)
  • 3、Canberra,Australia(澳大利亚堪培拉)

除了这几个主要的测控通信点以外,美国还有大量地面站和测控天线,另外还有欧空局以及日本和美国本土的大量地面站可以联网以备不时之需。这是其他国家都比拟的优势,美国的盟友欧洲就拥有全球最大的测控网络之一!

欧空局的ESTRACK就是一个覆盖全球的测控网,由位于德国达姆施塔特的欧洲空间运营中心(ESOC)运营,地面站包括库鲁、基律纳、热杜、圣玛丽亚岛等多个站点,还有塞布雷罗斯(西班牙)、新诺尔恰站(澳大利亚)和马拉圭站(阿根廷),还有大量增强天线。

ESA拥有的站点(蓝色)在世界地图上的位置

相对而言,前苏联就没那么好条件了,比如南太平洋的澳大利亚和新西兰都是美国的盟国,前苏联想补足这块地区的测控,只能建设海上测控船。

俄罗斯的测控站点

其实中国也遭遇了类似的问题,中国地处北半球,东西距离超过5000千米,在新疆喀什和东北佳木斯各设置了一个测控点,但只能覆盖全天2/3不到时间的测控,而且南半球是个空白,因此我国在纳米比亚和阿根廷内乌肯设置了深孔站。

但对于南太平洋还是空白,所以我国还建设了远望系列测控船,每次有发射任务,远望X号就会出发在发射路线上予以测控技术支持,不过问题是测控船成本比较高,不如地面站成本低,因此未来的发展方向还是建设地面站。

除了地面站,还有中继通信卫星,比如我国的星链卫星也可在某些环节上代替测控站,但并不是全部,美国也建设了大量用于数据中继的卫星(TDRS),也能在深空测控起到链路中继等不可替代的作用。

印度的地面测控站

印度只有一个深空测控地面站,位于印度卡纳塔克邦拉马纳加尔的Byalalu,2008年10月17日建成,该网络由ISRO的遥测、跟踪和指挥网络(ISTRAC) 组成,有11米和18米和32米三个DSN天线,

其曾参与印度的第一个月球探测器月船一号的测控,还参与了第一个火星探测器曼加里安号的测控,也参与了2019年的月船二号测控,这次就是月船三号。

不过由于全印度只有一个测控站,它能覆盖的区域只有全天1/3的区域测控,超出范围之外只能求助俄罗斯、欧空局以及NASA的全球测控网络。这对于印度根本就不是什么事,这个当年的中印战争中,西方和前苏联一起倾囊相助结果还打了个超级大败仗,西方的脸都丢尽了。

但印度仍然很吃得开,要啥就买啥,只要给钱基本就能买到,比如测控网络,当年的苏和俄罗斯早期、美国和欧空局都对中国敬而远之,中国不得已只好建设自己的网络,现在中国的测控网基本已经能满足我国深空测控需要,天问一号也降落到了火星上,这表示我们的测控网经受住了考验,反观印度,卫星是有了,但深空测控站却只有一个,但他们却可以请NASA和ESA帮忙。

月船三号的定位精度问题:得欧空局来背锅?

月球探测已经属于深空探测的范围,需要实施的就是深空测控,所谓的测控就是“测量”与控制,我们上面文章所说的基本都是数据通信,也就是控制,那么“测量”又是干嘛的?又是如何来“测量”的?

其实很容易理解,就是卫星在空间中的位置,这个事情是比较麻烦的,在地面上可以用GPS或者北斗、格洛纳斯与伽利略,但在太空不行,因为这些信号都是面对低空和地面的,只能使用惯性和星空定位,但这两个精度都太差。

有一种方式是可以实现的,地面三台射电望远镜,根据信号到的先后顺序就可准确定位出这个卫星所在的三维空间位置,比如这个在变轨时就非常重要,连续追踪,精确测定轨道,然后给出开始点火时间,因为点火时机与时间以及关机时间,是根据轨道变轨需求作出的:

比如目前月船三号要提高远地点轨道,但却不需要改变轨道的半长轴指向,那么点火时间就必须考虑是否会改变半长轴指向,早了或者晚了都会有问题,而持续时间则和轨道高度直接相关,如果给出的测量数据是错的,根据这些错误数据下的指令也是错的,那么很抱歉,最终轨道一定不会对,就算对了,也是瞎猫碰到死耗子。

所以这里就有一个问题,就目前而言,ISRO确定是班加罗尔的ISTRAC控制下变轨,这表示近地点测控信号注入应该是由印度自己完成的,但轨道测量可能是欧空局帮忙做的,因为印度境内也能做,但如果班加罗尔的ISTRAC能看到近地点的话,远地点就在印度的对面,也就是美国到欧洲的大西洋上,NASA和ESA合作长跟踪确认精确轨道,印度注入信号控制发动机启动,这没毛病。

欧空局出力不少

因此问题来了,这个月船三号轨道三次调整都很离谱,特别是第二次提升,近地点是提高了,但远地点反而下降了,这估计就有可能是测量精度的问题,搞不好这个问题还得欧空局背锅?笔者不了解内幕,只是根据新闻来推测而已。三次轨道精度:

  • 初始轨道数据:138 x 36306千米
  • 第一次变轨数据:173 x 41762千米
  • 第二次变轨数据:226 x 41603千米
  • 第三次变轨数据:228 x 51400千米

这个数据可能看不出有啥问题,但与2019年的月船二号相比就比较明显了:

所以这个月船三号真的存在很大的问题!不过还有机会,印度人得加油了,只是燃料够不够就不知道了。

甚长基线观测:月球探测必备

对于接下来的跨月注入后月球入轨,这估计就需要甚长基线观察(VLBI)测量技术了,这是一种射电干涉测量技术,这种技术可以通过对同一深空射电源进行测量,可以高精度地确定两台望远镜之间的距离和方向。

月球探测、火星探测以及更远的深空探测,VLBI技术是不可或缺的,这个技术说难不难,建造了射电望远镜阵列的国家基本都有这个技术,但测量精度如何就不知道了,天文学意义上,测量错了也就丢脸而已,但要是对深空探测器进行定位出现偏差,那很抱歉,造成的结果就是轨道精度太差甚至失控坠毁。

印度之前实施了月船一号和二号以及曼加里安火星探测器的测控,应该实现了VLBI测量技术,但也不能保证这是NASA或者ESA帮助实施的,现在地球轨道上变轨应该不太需要VLBI技术,但在月球入轨以及降落时就必须要用到这技术了!

中国的VLBI

因此目前月船三号轨道精度问题,可能还不一定是印度人的责任,参与的NASA和ESA可能一个都跑不了,但对他们有啥损失?印度人的钱已经拿了,大家都知道印度人不靠谱,所以这锅还是得印度人背!

#所见所得,都很科学#

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